心血管用フォトニック皮膚センシングネットワーク

Jul 29, 2023

コンピュスクリプト株式会社

画像: 図 1. 皮膚のようなマイクロファイバー ブラッグ グレーティング (μFBG) パッチ。もっと見る

クレジット: OAS

Opto-Electronic Advances の新しい出版物、10.29026/oea.2023.230018 では、構成可能な皮膚のようなマイクロファイバーのブラッグ格子グループによる時空間血行動態モニタリングについて説明しています。

心血管疾患は世界の主な死因です。 世界保健機関によると、毎年 1,790 万人が心血管疾患により死亡しています。 心血管疾患を事前に警告し、正確に治療するには、血圧 (BP)、心拍数 (HR)、末梢抵抗 (PR)、血管の弾性などの血行動態パラメータを継続的に監視することが重要です。 ソフト ウェアラブル デバイスは、リアルタイム操作機能、皮膚に似た機械的特性、および高 SNR センシング機能という利点を備え、心電図 (ECG) 信号、心音図 (PCG) 信号、脈波などの生理学的信号のモニタリングに適しています。 しかし、人間の心臓血管系は複雑で、循環ネットワークが分散しています。 現在のウェアラブルデバイスによって実現されるモノリシックな血行力学パラメータは、局所の血管系の健康状態を適切かつ正確に反映することができません。 心臓血管系の臨床治療と日常の健康管理に対するますます高まる需要を満たすために、時空間血行動態モニタリング技術が緊急に必要とされています。

ファイバーブラッググレーティング (FBG) に代表される分散型光ファイバー (DOF) センシング技術は、時空間血行動態モニタリングに理想的に適しています。 空間的に分散されたマルチチャネル センシング機能、優れた時間同期、および電磁干渉の欠如により、複数の高 SNR 生理学的信号モニタリングの基盤が築かれます。 しかし、従来の光ファイバーは、硬くて脆いシリカ素材と直径125μmという太いことから、皮膚との機械的特性が大きく異なり、生理信号に対する応答性が低く、安定して快適に身体に装着することが困難でした。 機械的な不一致に対処するために、フレキシブル パッケージング技術が使用されています。 それにもかかわらず、市販の FBG デバイスの過剰な厚いカプセル化と低感度は、微妙な生理学的信号の検出に障害をもたらし、ウェアラブル デバイスでの潜在的な用途が制限されます。 光マイクロファイバーは、優れた柔軟性、構成可能性、および高感度センシングのための大きなエバネッセント場を備えていることが証明されています。 しかし、光マイクロファイバーに基づく既存のデバイスは、波長エンコード戦略なしでは、空間的に分散され、時間同期され、マルチパラメーターのセンシング機能を実現することが困難です。

この論文の著者らは、皮膚のようなマイクロファイバー格子グループに基づいた時空間血行動態モニタリング技術を提案しています。 この技術では、マイクロファイバーと極薄の柔軟なパッケージング技術を利用して、皮膚のようなマイクロファイバーパッチを作成します。 デバイスの等価弾性率とマイクロファイバーの断面積を効果的に低減することにより、パッチの応力応答は 2 桁改善されます (50 mN 以内の応力下で感度は 5.26 nm/N)。 また、10,000 回の応力円下でも優れた再現性と安定性を示します。 さらに、この技術ではフェムト秒レーザー直接書き込み技術を採用し、ブラッグ格子をマイクロファイバーの内部に非侵襲的に刻み込み、複数のマイクロファイバーパッチに異なる波長エンコーディングを提供し、同期マルチチャネルセンシング機能を可能にします。 マイクロファイバーグレーティング（μFBG）パッチを直列に接続することにより、人体の異なるノードにある複数の生理学的信号を同時に検出し、異なる動作波長で区別することができます。 μFBG グループでは光ベースの生理学的信号が光速に近い速度で伝播するため、時間同期は FBG インテロゲータによってのみ制限されます。 人間の心血管系の各表在動脈で近位心弾動計（BCG）信号と遠位脈波を検出し、脈波伝達時間（PTT）を計算することにより、時空間血行動態モニタリング技術を確立します。